GB T 21115-2007 块状氧化物超导体磁浮力的测量.pdf

1、ICS 7704099CCSH 21 a雪中华人民共和国国家标准GBT 211 152007块状氧化物超导体磁浮力的测量Measurement for levitation force of bulk oxide superconductor2007-10-1 1发布 2007-12-01实施宰瞀徽鬻瓣訾糌瞥星发布中国国家标准化管理委员会仅111前 言GBT 21 1 152007鉴于我国目前超导块材主要用于制作磁悬浮装置，更迫切地需要有规范的方法测量超导体的磁浮力，因此制定本标准。与本标准有关的国际标准化组织是国际电工委员会超导技术委员会(IEC-TC90)。本标准的附录A为资料性附录。本标

2、准由国家超导技术联合研究开发中心提出，全国超导标准化技术委员会归口。本标准负责起草单位：北京有色金属研究总院和国家超导技术联合研究开发中心。本标准参加起草单位：中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院物理研究所、西北有色金属研究院、中国科学院电工研究所。本标准主要起草人：肖玲、焦玉磊、郑明辉、张宏、刘宜平、刘国东、张翠萍、丘明。本标准为首次发布。块状氧化物超导体磁浮力的测量GBT 211 1520071范圈本标准规定了大晶粒块状氧化物超导体(简称块状超导体)在液氮温度(77 K)附近磁浮力的测试方法。本标准适用于测量由熔融织构生长法制备的圆柱状RE-BaCu-O超导体的轴向磁浮力，超导

3、体的直径小于或等于50 nlm。直径大于50 Inm的圆柱形超导块与其他具有规则形状(正方体、长方体、正六棱柱等)超导块的轴向磁浮力以及非轴向磁浮力的测量也可参照本标准执行。2规范性引用文件下列文件中的条款通过在本标准中的引用而构成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GBT 13811-2003电工术语超导电性(IDT IEC 60050-815：2000：Electrotechnical terminology-

4、Superconductivity)JJF 1059-1999测量不确定度评定与表示3术语和定义GBT 13811、JJF 1059确立的以及下列术语和定义适用于本部分。31氧化物超导体oxide superconductor在一定条件下呈现超导电性的包含氧作为一种基本成分的化合物超导体。注一一定条件指适当的温度、磁场强度和电流密度。GBT 13811-2003中81502一os32铜氧化物超导体copper-oxide(eupratc)superconductor包含有铜氧面的层状结构的氧化物超导体。FGBT 138112003中81502一08333熔奠织构生长法melt-textured

5、 growth process在高温下部分熔化后定向凝固，以制备出取向好的氧化物超导体的工艺。GBT 13811-2003中8150522334磁浮力magnetic levitation force在确定温度和确定间隙下块状超导体与磁体之间产生的相互作用力，单位为牛顿(N)。根据超导体和磁体问相互作用的历程和状态，磁浮力可以是排斥力或吸引力。取一定条件(磁场和冷却方式)和可测量到的最小距离(o1 ram)下的排斥力为样品在该条件下的最大排斥力。取一定条件(磁场和冷却方式)下测得的吸引力的最大值为样品在该条件下的最大吸引力。35磁浮力密度magnetic levitation force de

6、nsity作用在超导体端面的单位面积上的磁浮力，单位为牛顿每平方厘米(Ncm2)。1GBT 211 15200736标准不确定度standard uncertainty以标准差表示的测量不确定度。(JJF 10594要求磁浮力应作为块状氧化物超导体和永久磁体之间相对距离的函数来测量(参见A1)。本方法的目标相对标准不确定度规定为同一样品在各个实验室间进行比对测量的变异系数COV(coefficient of variation)应等于或小于10。COV的计算为同一样品在不同实验室的比对测量中，磁浮力测量值的标准偏差除以平均值。由于氧化物超导体在潮湿的环境中易发生损坏，比对测试应在一个月内完成，

7、比对测试期间，样品应保存在干燥环境中。块状氧化物超导体是一种具有本征脆性的陶瓷材料，测试过程中超导体不应受到任何损伤。在应用本标准的测试过程中，样品温度应保持在773 K778 K。本测试方法使用的冷却剂为液氮，对于液氮的使用需遵守安全操作规范。5装置51磁体在本标准规定的测试方法中，应使用具有确定磁特性(最大磁能积BH剩磁B，和矫顽力B。)和确定尺寸(直径和高度)的圆柱状永畿体，推荐使用钕铁硼(NdFeB)永磁体(参见A2)。磁体和超导体的直径比D。Dsc应在14-3的范围内磁体自身的直径高度比DMr”应在1士10的范围内(参见A2)。测试过程中应保持磁体处于室温(25士5)下，由液氮引起的

8、磁体温度下降不超过4，磁感应强度变化不超过1(参见A3)。52改变距离以一定速率改变磁体和超导样品之问的距离。移动速率应在03 mms20 mms范围内(参见附录A4)。53低温窖器低温容器应是非磁性的，其容积应能保证在涮量过程中超导榉晶始终授没在菠氮中。54磁浮力测量使用力传感器测量磁浮力。应对传感器进行有效的热绝缘，使传感器工作在规定的温度范围内(-4060)。55距离测超导样品与磁体间的相对距离用位移传感器测量，每次测量前应进行零距离校准。推荐磁体和被测超导体有轻微接触(力传感器有大约10 N输出信号)时定为零距离(参见A5)。56沮度测温度传感器应固定在样品支撑台上，监视测量过程中样品

9、的温度变化(参见A6)。6样晶加工和样品支撑台61样品加工块状超导样品的上下端面应当平整和平行。62样品支攘台样品支撑台应使用非磁性金属材料制作，确保在测量过程中不发生移动和形变。63样品固定要保证样品测试端面与磁体端面平行，两端面的夹角小于05。(根据被测样品直径计算相应的平2GBT 21 1152007行度)。被测样品可用非磁性材料卡具和或低温下可固化的胶固定在样品支撑台上避免样品在测量过程中产生位移或转动。应保持样品与磁体之间的同轴性，轴间偏离小于样品直径的35(参见A7)。7测试步骤71 测零场冷却(简称零场冷)条件下磁浮力随距离的变化711用卡具和或低温下可固化的胶固定样品，并保持样

10、品测试端面与磁体端面平行。712在远离磁体的情况下(例如对直径30 mm的样品，相对距离应大于40 mm，此时磁体与超导体间的相互作用可忽略)用液氮冷却样品。应将样品浸没在液氮中，待液氮面平静2 rain后进行测量。713检测液氮浴的温度，应满足本标准第4章中对温度的要求。714以恒定速率改变样品与磁体间的距离。测量排斥力时，距离从大到小变化；测量回滞曲线时，距离从大变小至某个确定致值后再从小变大。715在改变磁体与样品间距离的同时，使用力传感器和位移传感器分别测量样品与磁体间的相互作用力和相对距离。716测试过程中，应保证样品始终浸没在液氮中并监测样品温度变化。72测量带场冷却(简称场冷)囊

11、件下麓浮力髓距的变化721按照711固定样品。722调整样品与磁体的相对位置，使二者间距达到设定距离后，用液氮冷却样品，待液氮面平静2 min后进行测量。723按照步骤713操作。724以恒定速率改变样品与磁俸闻的距离。测量吸引力时，距离从小到大变化；测量回滞曲线时，距离从大变小至莱个确定数值后再从小变大。725按照步骤715和716操作73测量零场冷条件下排斥力随时闰的变化731按照步骤711、712和713操作，对样品进行固定、冷却，并检测温度732以恒定速率从大刘小改变样品与磁体俩的距离至某个确定数值后，测量排斥力随时间的变化。733按照步骤715和716操作。74测场冷条件下吸引力随时

12、问的变化741按照步骤711，722和713操作，对样品进行固定、冷却，并检测温度。742以恒定速率从小到大改变样品与磁体闻的距离至某个确定数值后，测量吸引力随时间的变化。743按照步骤715和7。1。6操作。注。对于同一样品的重复测量必须保证样品整体升墨至其临界转变温度以上，将冻结在超导体内的磁通完全排除后进行。8不确定度81力的测量所用力传感器在进行磁浮力测量时产生的标准不确定度应小于01 N。82距离的测量所用位移传感器在进行距离测量时产生的标准不确定度应小于o1 TDYP-。83磁感应强度的测量所用磁强计在进行磁感应强度测量时产生的标准不确定度应小于001 T。84趣度的测量所用测温系

13、统在进行温度测量时产生的标准不确定度应小于01 K。GBT 21 11520079测试报告91样品参数a)生产厂家b)样品名称lc)样品编号d)样品形状和尺寸。92磁体参数a)磁体标识lb)磁体形状和尺寸Ic)磁体安装在测试装置上时，其表面中心的磁感应强度。93测试条件a)样品冷却条件，b)被测样品与磁体之间的起始测量距离，c)被测样品与磁体相对距离的改变速率Id)测量过程中样品的温度。94磁浮力翻试结果a)磁浮力与距离的测量数据及曲线lb)最大排斥力或确定距离下的排斥力c) 最大排斥力密度或确定距离下的排斥力密度d)最大吸引力(需注明场冷距离)fe) 最大吸引力密度(需注明场冷距离)；f)磁

14、浮力与时间的测量数据及曲线；g)测试日期。附录A(资料性附录)与磁浮力测试有关的信息GBT 211 152007本附录分别以直径25 mm、30 1Tllll和40 mitt的圆柱状超导样品为例给出与磁浮力测试有关的附加信息。A1 磁浮力随距离变化的典型曲线图A1是在零场冷条件下测得的排斥力(取为正值)曲线。排斥力随超导样品与磁体间距的减小单调上升，在间距趋于零时达到最大值(本标准规定在间距为01 111111时为最大值)。图A2是在样品与磁体间距为5ITlm的场冷条件下测得的吸引力(取为负值)曲线。吸引力随间距的增大而增加，达到最大值后逐渐减小。图A1排斥力与距离的关系图A3是在零场条件下测

15、得的磁浮力的回滞曲线。磁浮力为排斥力与吸引力的合力。田A2吸引力与距离的关系减小间距时的磁浮力为排斥力，增加间距时的圈A3磁浮力的回滞曲线A2磁浮力与磁体参数的关系图A4是样品最大排斥力与磁体端面磁感应强度的关系曲线(其中圆点为实验数据，实线是二次曲线拟合的结果)。由图可见，最大排斥力随磁体端面磁感应强度的增加大致成平方关系增大。因此，在给出超导材料磁浮力测量结果的同时，应给出测试用磁体的表面磁感应强度。使用具有相同磁感应强度的磁体测量的结果才有可比性。当所用磁体的磁感应强度不同时，应将测量结果换算到相同磁感应强度所对应的数值再进行比较。GBT 2”152007圈A4最大排斥力与磁体表面磁感应

16、强度的关系给定材质的磁体，其表面磁感应强度与磁体的径高比有关。当磁体的径高比DPM肺PM在1土10的范围内时，测得最大排斥力和吸引力相对于D。肪。一1时的变化分另不超过土15和士27。使用直径不同的一组磁体(径高比均为】)，测量了同一个超导样品。当磁体与样品直径比DmDsc在1土3的范围内时，测得最大排斥力和吸引力相对于DemDsc=1时的变化分别不超过士25和47。A3测试过程中磁体的沮度变化根据图A5所示NdFeB材料磁化强度的测量结果，在室温下，温度T降低10K，磁化强度M约增加08。在磁浮力测试过程中，测得磁体温度下降了34C。磁体温度改变对磁浮力测量结果的影响可以忽略。圈A5 NdF

17、eB磁体的磁化强度M随温度T的变化A4排斥力与磁体移动速率的关系移动速率在03mms20mms范围内变化时，测得最大排斥力和吸引力的变化均小于27。A5零距离校准方法为保证测量结果的重复性，推荐使用下述零距离校准方法。在室温条件下移动永久磁体或超导样品，当两者之间有轻微接触(力传感器显示大约10 N输出信号)时，令位移传感器的输出为零。A6测试过程中样品的速度变化在磁浮力测量过程中，测得样品的温度变化小于03 K。A7样品与磁体轴线偏离对排斥力的影响测得样品的最大排斥力和吸引力随样品和磁体轴线偏离程度的增加近似线性下降。当轴间偏离程6GBT 2”152007度小于样品直径的35时，对最大排斥力

18、和吸引力的影响分别小于40和3。5。A8排斥力随时间的衰减在5 mrn距离下停留1 h测量的排斥力与时间的关系见图A6，排斥力随时间呈对数衰减(图中圆点为实验数据，实线为对散拟合的结果)。A9循环比对实验结果8o图A6排斥力随时间的寰减本标准工作组于2005年7月至8月组织了一次有4个单位参加的磁浮力测量的串联循环比对实验。5个圆柱状YBaCuO样品依次传递给每个参加比对测试的实验室，所有样品均要求浏量排斥力，其中3个样品要求测量吸引力。规定每个样品测量4次，测试用磁体(NdFeB)也和样品一起传递。这次比对测试，共获得排斥力数据10组，每组17个，吸引力数据3组，每组17个。其中排斥力测量数据中两组数据由于样品损伤导致性能下降幅度较大，被视为无效。根据有效的11组187个数据的汇总，得到表示每组测试数据再现性的变异系数COV中最大的为4。6。由于这次比对测试没有将对测试数据影响较大的磁体的变化因素包含在内，2005年12月，由同一单位的4名测试者又进行了两次小范围的比对测试。其中一次改变磁体尺寸，获得1组13个数据，COV为49。另一次使用尺寸在本标准规定范围内的磁体。获得3组30个数据，COV中最大的为15。根据几次循环比对实验的结果并考虑到本附录中其他因素对测试结果的影响按照本标准规定的方法进行磁浮力测量，其测量值可以达到10的目标相对标准不确定度的要求。